Qu'est-ce que l'impression 3D ? Principe de fonctionnement | Types | Candidatures

Le concept de l'impression 3D a été présenté par David E.H. Jones en 1974. Cependant, les méthodes et les matériaux pour fabriquer des modèles n'ont été développés qu'au début des années 1980.

Le terme « impression 3D » couvre de nombreux processus et techniques qui offrent un large éventail de capacités pour la production de pièces et de produits dans différents matériaux. Ces dernières années, ces processus se sont considérablement développés et peuvent désormais jouer un rôle crucial dans de nombreuses applications.

Cet article de vue d'ensemble vise à expliquer les différents types et processus d'impression 3D, comment ils fonctionnent et quels sont leurs utilisations et avantages sur le marché actuel. Commençons par une question très basique.

Qu'est-ce que l'impression 3D ?

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, est un processus de fabrication d'un objet physique à partir d'un modèle numérique tridimensionnel ou d'un modèle CAO. Cela implique diverses techniques contrôlées par ordinateur dans lesquelles le matériau est joint ou solidifié pour construire un objet réel.

Typiquement, le matériau (tel que des grains de poudre ou des molécules liquides fusionnées) est ajouté couche par couche à l'échelle millimétrique. C'est pourquoi l'impression 3D est également appelée procédé de fabrication additive.

L'image illustre comment une imprimante 3D imprime des objets en trois dimensions couche par couche | Logiques 3D

Dans les années 1990, les techniques d'impression 3D étaient appelées prototypage rapide. Ils ne convenaient qu'à la fabrication de prototypes esthétiques ou fonctionnels. Depuis lors, nous avons parcouru un long chemin.

La technologie d'impression 3D d'aujourd'hui est suffisamment avancée pour créer des structures et des géométries complexes qui seraient autrement impossibles à construire manuellement.

La précision, la gamme de matériaux et la répétabilité de l'impression 3D ont augmenté au point que nous pouvons construire presque n'importe quoi - des simples prototypes aux produits finis complexes tels que la construction écologique, les pièces d'avion, les instruments médicaux et même les organes artificiels utilisant des couches de cellules humaines.

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Comment ça marche exactement ?

Toutes les techniques d'impression 3D reposent sur le même principe :une imprimante 3D prend un modèle numérique (en entrée) et le transforme en un objet physique tridimensionnel en ajoutant de la matière couche par couche.

C'est très différent des processus de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection et l'usinage CNC qui utilisent divers outils de coupe pour construire la structure souhaitée à partir d'un bloc solide. L'impression 3D, cependant, ne nécessite aucun outil de coupe :les objets sont fabriqués directement sur la plate-forme construite.

Le processus commence par un modèle numérique 3D (un plan de l'objet). Le logiciel (spécifique à l'imprimante) découpe le modèle 3D en fines couches bidimensionnelles. Il les convertit ensuite en un ensemble d'instructions en langage machine à exécuter par l'imprimante.

Selon le type d'imprimante et la taille de l'objet, une impression prend plusieurs heures. L'objet imprimé nécessite souvent un post-traitement (comme le ponçage, la laque, la peinture ou d'autres types de finitions conventionnelles) pour obtenir une finition de surface optimale, ce qui prend du temps et des efforts manuels supplémentaires.

Différents types d'imprimantes 3D utilisent une technologie différente qui traite différents matériaux de différentes manières. La limitation la plus fondamentale de l'impression 3D, en termes de matériaux et d'applications, est peut-être qu'il n'y a pas de solution unique.

Types/processus d'impression 3D

Conformément à la norme ISO/ASTM 52900, tous les processus d'impression 3D peuvent être classés en sept groupes. Chacun a des avantages et des inconvénients qui lui sont associés, qui impliquent généralement des aspects tels que le coût, la vitesse, les propriétés des matériaux et les limitations géométriques.

1. Photopolymérisation en cuve

Illustration du SLA :un laser(a) illumine sélectivement le fond transparent(c) d'un réservoir rempli(b) d'une résine photopolymérisante liquide. La plate-forme élévatrice (e) entraîne progressivement la résine solidifiée (d).

Une imprimante 3D basée sur la photopolymérisation Vat a un conteneur rempli de résine photopolymère, qui est durcie avec une source de lumière ultraviolette pour créer un objet. Les trois formes les plus courantes de polymérisation en cuve sont

1a) Stéréolithographie (SLA) : Inventé en 1984, le SLA utilise un laser ultraviolet pour réticuler des monomères et des oligomères chimiques afin de former des polymères qui composent le corps d'un solide tridimensionnel. Bien que le processus soit rapide et puisse construire presque n'importe quelle structure, il peut être coûteux.

1b) Traitement numérique de la lumière (DLP) : Il utilise des sources lumineuses conventionnelles telles que des lampes à arc (au lieu de lasers). Chaque couche de l'objet est projetée sur la cuve de résine liquide, qui est ensuite solidifiée couche par couche au fur et à mesure que la plate-forme élévatrice monte ou descend.

1c) Production d'interface liquide continue (CLIP) : Elle est similaire à la stéréolithographie mais continue et jusqu'à 100 fois plus rapide. CLIP peut produire des objets caoutchouteux et flexibles avec des côtés lisses, qui ne pourraient pas être créés avec d'autres techniques.

2. Extrusion de matériaux

Illustration de l'extrusion de matériau :la buse (1) dépose du matériau (2) sur une plate-forme de construction (3).

Dans ce processus, un filament de matériau thermoplastique solide est poussé à travers une buse chauffée, qui fait fondre le matériau et le dépose sur une plate-forme de fabrication le long d'un chemin prédéterminé. Ce matériau finit par se refroidir et se solidifier, formant un objet tridimensionnel. Les techniques les plus couramment utilisées dans ce processus sont

2a) Modélisation des dépôts de fusion (FDM) : Il utilise un filament continu d'un matériau thermoplastique, tel que le nylon, le polyuréthane thermoplastique ou l'acide polylactique.

2b) Robocast : Cela implique l'extrusion d'un matériau pâteux à partir d'une petite buse tandis que la buse est déplacée sur une plate-forme de construction. Le processus est différent du FDM car il ne repose pas sur le séchage ou la solidification du matériau pour conserver sa forme après extrusion.

3. Laminage de feuilles

Certaines imprimantes utilisent du papier et du plastique comme matériau de construction pour réduire le coût d'impression. Dans cette technique, plusieurs couches de plastique adhésif, de papier ou de stratifiés métalliques sont successivement assemblées et découpées en forme à l'aide d'un cutter ou d'un couteau laser.

La résolution de la couche peut être définie par la matière première du matériau. En règle générale, il varie entre une et quelques feuilles de papier copie. Le processus peut être utilisé pour fabriquer de grandes pièces, mais la précision dimensionnelle du produit final sera bien inférieure à celle de la stéréolithographie.

4. Dépôt d'énergie dirigé

La technique de dépôt d'énergie dirigée est couramment utilisée dans l'industrie métallurgique de haute technologie et les applications de fabrication rapide. L'appareil d'impression contient une buse qui est fixée à un bras robotique multi-axes. La buse dépose une puissance métallique sur la plate-forme de construction, qui est ensuite fondue par un laser, un plasma ou un faisceau d'électrons, pour former un objet solide.

Ce type d'impression 3D prend en charge divers métaux, matériaux de qualité fonctionnelle et composites, notamment l'aluminium, l'acier inoxydable et le titane. Non seulement il peut construire des pièces métalliques entièrement nouvelles, mais il peut également attacher des matériaux aux pièces existantes, permettant des applications de fabrication hybrides.

5. Jet de matériau

Pièces imprimées avec le processus de projection de matériau 

Le jet de matière fonctionne de la même manière que les imprimantes à papier à jet d'encre. Dans ce processus, un matériau photosensible est appliqué en gouttelettes à travers une buse de petit diamètre, puis durci par la lumière ultraviolette, créant une pièce couche par couche.

Les matériaux utilisés dans cette technique sont des photopolymères thermodurcissables (acryliques). L'impression multi-matériaux et une large gamme de matériaux (y compris des matériaux de type caoutchouc et transparents) sont également disponibles.

Étant donné que l'impression 3D par jet de matière peut construire des pièces d'une grande précision dimensionnelle avec une finition de surface lisse, il s'agit d'une option attrayante pour la fabrication de prototypes visuels et d'outils commerciaux.

6. Jet de liant

Une impression en couleur imprimée en grès avec Binder Jetting | Crédit image :3D Hubs 

Le jet de liant utilise deux matériaux :un matériau à base de poudre et un liant liquide. La poudre est répartie en couches uniformes dans la chambre de fabrication et le liant est appliqué par des buses à jet, qui « collent » les particules de poudre pour construire l'objet souhaité.

La cire ou le polymère thermodurcissable est souvent mélangé à de la poudre liée pour augmenter sa résistance. Une fois l'impression 3D terminée, la poudre restante est collectée et utilisée pour imprimer une autre structure.

Étant donné que la technique est très similaire à un processus de type jet d'encre, elle est également appelée impression 3D par injection. Il est principalement utilisé pour l'impression de pièces en élastomère, de surplombs et de prototypes colorés.

7. Fusion de lit de poudre

Un système SLS | DTM – 2500CI 

La fusion sur lit de poudre est un sous-ensemble de la fabrication additive dans laquelle une source de chaleur (telle qu'une tête d'impression thermique ou un laser) est utilisée pour consolider le matériau sous forme de poudre afin de construire des objets physiques. Les cinq formes les plus courantes de cette technologie sont

7a) Frittage laser sélectif (SLS) : Il utilise un laser comme source d'alimentation pour fritter un matériau en poudre comme le polyamide ou le nylon. Ici, le terme frittage fait référence au processus de compactage et de formation d'une masse solide de matériau en appliquant une pression ou de la chaleur sans le faire fondre au point de liquéfaction.

7b) Fusion laser sélective (SLM) : Contrairement au SLS, cette technique est conçue pour fondre et fusionner complètement les poudres métalliques. Il peut créer des matériaux entièrement denses (couche par couche) qui ont des caractéristiques mécaniques similaires à celles des métaux manufacturés traditionnels. Il s'agit de l'un des processus à développement rapide mis en œuvre à la fois dans l'industrie et dans la recherche.

7c) Fusion par faisceau d'électrons (EBM) : Dans le processus, la matière première (fil ou poudre métallique) est placée à l'intérieur d'un vide et fusionnée à l'aide d'un faisceau d'électrons. Bien que l'EBM ne puisse être utilisé qu'avec des matériaux conducteurs, il a une vitesse de fabrication supérieure en raison de sa densité d'énergie plus élevée.

7d) Frittage à chaud sélectif (SHS) : Il utilise une tête d'impression thermique pour appliquer de la chaleur sur des couches de thermoplastique en poudre. Dès que la couche est terminée, le lit de poudre descend et une nouvelle couche de matériau est ajoutée, qui est ensuite frittée pour former la prochaine coupe transversale du modèle. Cette technique est idéale pour fabriquer des prototypes et des pièces bon marché pour les tests fonctionnels.

7e) Frittage laser direct de métal (DMLS) : Il est similaire au SLS mais utilise à la place la puissance du métal. Le pouvoir restant devient une structure de support pour l'objet et peut être réutilisé pour la prochaine impression 3D. Les pièces DMLS sont principalement fabriquées avec des matériaux en poudre comme le titane, l'acier inoxydable, l'aluminium et plusieurs alliages de niche. C'est un processus idéal pour les pièces médicales personnalisées, les composants pétroliers et gaziers et les prototypes fonctionnels robustes.

Candidature

Au cours de la dernière décennie, l'impression 3D s'est considérablement développée. Puisqu'il peut être utilisé pour fabriquer rapidement des conceptions complexes à moindre coût, il est devenu un outil essentiel dans une variété d'industries, allant de la fabrication commerciale et de la médecine à l'architecture et à la conception personnalisée.

De nombreuses techniques de fabrication additive peuvent être utilisées pour fabriquer des produits alimentaires. Les imprimantes 3D modernes sont livrées avec des recettes préchargées à bord et permettent également aux utilisateurs de créer à distance leur nourriture sur leurs ordinateurs et smartphones. Les aliments imprimés en 3D peuvent être personnalisés en termes de texture, de couleur, de forme, de saveur et de nutrition.

La technologie s'est également avérée efficace dans les formulations pharmaceutiques. La première formulation fabriquée par impression 3D a été produite en 2015. La même année, la FDA a approuvé la première tablette imprimée en 3D.

Imprimante 3D Zero-G envoyée à l'ISS en 2014  

En 2014, SpaceX a livré la première imprimante 3D apesanteur à la Station spatiale internationale. Il est maintenant utilisé par les astronautes pour imprimer des outils utiles tels qu'une clé à douille.

En fait, de nombreux projets d'assemblage prévus sur des planètes ou des astéroïdes seront amorcés d'une manière ou d'une autre en utilisant les matériaux disponibles dans les régions voisines. L'impression 3D est l'une des étapes majeures de ce démarrage.

De nos jours, les entreprises technologiques intègrent la fabrication additive au cloud computing pour permettre une production distribuée décentralisée et géographiquement indépendante. Certaines entreprises proposent des services d'impression 3D en ligne (via un site Web) aux clients privés et commerciaux.

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L'avenir de l'impression 3D

Le grand rêve de l'impression 3D est "une usine dans la maison de chacun". Cela peut sembler étrange, mais il est indéniable que posséder une machine capable de produire instantanément des objets personnalisables à l'infini est fascinant.

Tout comme les ordinateurs et les smartphones ont autonomisé des milliards de personnes, les imprimantes 3D pourraient faire de même pour la fabrication.

Selon GrandViewResearch, le marché mondial de l'impression 3D était évalué à 11,58 milliards de dollars en 2019, et il devrait atteindre plus de 33 milliards de dollars d'ici 2027 (à un taux de croissance de 14 % par an).

Les facteurs qui devraient stimuler la croissance du marché comprennent la R&D agressive et la demande croissante d'applications de prototypage de divers secteurs industriels, en particulier l'automobile, l'aérospatiale, la défense et la santé.